Новый физический фейерверк - Джирл Уокер

Иногда кажется, что на металлической кастрюле, даже если ее тщательно вымыли, есть цветные пятна. Почему они появляются? Похожие цветные пятна можно увидеть, когда масло стекает по полированной металлической поверхности. Почему мы их не видим, если поверхность неполированная?

ОТВЕТ • При освещении белым светом прозрачного слоя, или пленки, толщиной приблизительно совпадающей с длиной волны видимого света, может происходить разложение света на цвета видимого спектра. Предположим, что луч определенного цвета падает перпендикулярно на такую пленку (рис. 6.43). Часть света отражается от внешней поверхности пленки, а часть проникает внутрь пленки, проходит через нее, отражается от внутренней поверхности, проходит пленку в обратном направлении и выходит из нее. Глаз воспринимает две исходящие от пленки волны. Эти волны интерферируют. Если волны распространяются в фазе (синхронно), интерференция конструктивная (волны усиливают друг друга), и на пленке получается яркое пятно соответствующего цвета. Если окажется, что волны распространяются не в фазе (несинхронно), интерференция деструктивная (волны стремятся погасить друг друга), и мы видим на пленке темное пятно.

Рис. 6.43 / Задача 6.114. Свет, отраженный в направлении наблюдателя от внешней и внутренней поверхностей тонкой пленки.

Толщина пленки — один из факторов, определяющих, для какого цвета выполняются условия усиления или гашения. Поэтому, когда под влиянием силы тяжести вертикальная пленка стекает, утолщаясь внизу, на разных высотах появляются разные яркие цветные полосы. Меняя расстояние и угол зрения, наблюдатель меняет расстояние, которое проходит отраженный от пленки и достигающий его свет. Это значит, что меняется яркость цветов, которые он видит. Иризацией, или радужным эффектом, называют изменение цвета при изменении ракурса. Голубая рубашка всегда голубая, поскольку красителям не свойственна иризация — красители работают иначе: они поглощают часть спектра и рассеивают остальное.

Игра цветов видна и на масляном пятне, когда разлитое масло образует на воде тонкую пленку. Разноцветные масляные пятна видны и тогда, когда солнце закрыто облаками, но на небе есть особенно яркий участок. На сухой улице из-за шероховатости дорожного покрытия толщина пленки масла непостоянна. Световые волны разных цветов, соответствующие разным толщинам пленки, перекрываются, и пятно выглядит тусклым и, возможно, даже бесцветным.

Когда под действием силы тяжести вода в вертикальной мыльной пленке стекает вниз, сверху пленка истончается, и в какой-то момент ее толщина становится гораздо меньше длины волны света. Все световые волны, отражающиеся от этого участка, почти полностью гасят друг друга, и поэтому верхняя часть пленки выглядит черной. В этот момент дальнейшее уменьшение толщины пленки может прекратиться. Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, слои молекул мыла на противоположных поверхностях пленки сближаются настолько, что их электростатическое отталкивание друг от друга становится существенным. Во-вторых, по-видимому, молекулы воды на обеих поверхностях пленки упорядочиваются (образуя нечто напоминающее кристалл), и эти структуры начинают перекрываться. Поскольку перекрытие связано с затратой энергии, на этой стадии истончение пленки прекращается. Несмотря на это, тонкие пленки нестабильны и могут внезапно разорваться и распасться. Однако если пленка содержит заряженные примеси, она может и дальше истончаться, не разрываясь. Такие особо тонкие места выглядят особенно темными на фоне черного участка тонкой пленки.

Сразу за черным участком идет бледно-синяя полоса, поскольку волны синего света испытывают неполную конструктивную интерференцию (они распространяются не совсем синхронно и поэтому лишь в какой-то мере усиливают друг друга). Однако эту голубую полосу трудно различить, и может показаться, что первая полоса, которая видна под черным участком, белая. Толщина этого участка пленки такова, что интерференция волны разных цветов видимого спектра не совсем конструктивная, и их комбинация воспринимается как белый цвет. Ниже, за белой полосой, идет желто-красная (оранжевая) полоса, затем сине-красная (лиловая), и только затем следует полоса почти чистого синего цвета.

По мере того как пленка стекает, она утолщается снизу, и там цветные полосы начинают перекрываться. Постепенно они перекрываются до такой степени, что эта часть пленки становится белой. Толстые пленки, такие как предметные стекла микроскопа и оконные стекла, не дают интерференционных картин по двум причинам. Во-первых, для получения интерференционной картины в толстой пленке нужен чрезвычайно узкополосный (монохроматический) источник. Во-вторых, поскольку толщина этих объектов колеблется от точки к точке, она не поддерживается постоянной с точностью порядка длины волны света, что необходимо для получения интерференционных картин.

Благодаря тонкой окисной пленке цветные полосы достаточно часто можно видеть на вытертой насухо металлической кастрюле. Кроме того, если на металле есть тонкий слой масла и он блестит, масляный слой тоже может приводить к образованию цветной интерференционной картины. Правда, если поверхность шероховатая, свет, отражающийся от внутренней поверхности маслянистого слоя, рассеивается в случайных направлениях и разрушает интерференционную картину.

В перьях канарейки есть пигмент, поглощающий все цвета, входящие в состав белого света, кроме желтого, и поэтому канарейка желтая. В окружающем нас мире разнообразие цветов, включая и окраску животных, чаще всего объясняется наличием подобных пигментов. Однако окраска многих животных обусловлена не пигментацией, а необычными оптическими свойствами поверхности их тела (крыльев, раковин, перьев, кожи и т. д.).

У некоторых бабочек и других насекомых переливчатые крылья: их цвет меняется в зависимости от того, под каким углом и с какого расстояния на них смотреть. Один из впечатляющих примеров — крылья бабочки морфо. Хотя в ее крыльях присутствует коричневый пигмент (их нижняя сторона коричневая), сверху они переливаются разными оттенками голубого цвета.

Сельдь использует сходный (хотя и несколько более сложный) оптический эффект, придающий ее чешуе серебристо-белый цвет. Благодаря такой окраске хищнику труднее различить сельдь в воде.

Надкрылья некоторых тропических жуков-вертячек хорошо отражают белый солнечный свет, если смотреть на них под определенным углом. Однако при других углах зрения они привлекают внимание своей переливчатой окраской. Некоторые другие жуки также демонстрируют при разных углах зрения либо сильное отражение либо радужную окраску. Наверное, самые интересные структурные цвета можно наблюдать у пластинчатоусых жуков, надкрылья которых действуют как жидкий кристалл, отражающий яркий свет различных цветов. А жуки-скакуны, наоборот, используют оптические эффекты для маскировки. Их поверхность отражает только свет, по цвету напоминающий почву в местах их обитания.